高阻氧性蛋白-多糖-牛皮紙紙基-可食性薄膜復合材料的制備及其工藝優(yōu)化

吳浩，雷橋,2,3*，曹慶龍，高文婧，王滋

1(上海海洋大學 食品學院，上海，201306)2(上海水產品加工及貯藏工程技術研究中心，上海，201306)3(農業(yè)部水產品貯藏保鮮質量安全風險評估實驗室(上海)，上海，201306)

近年來，越來越多的人關注到了塑料包裝回收失效帶來的環(huán)境污染問題，可持續(xù)包裝成為熱點。為解決塑料包裝帶來的問題，歸納出3個解決方案：創(chuàng)新設計、循環(huán)再利用和尋找替代材料。其中使用生物可降解替代材料能夠從根本上減少塑料污染，以紙代塑不失為一種有效途徑[1]。但由于紙材主要由纖維素纖維組成，缺點是親水性、多孔性和對氣體及水蒸氣的高滲透性，并且具有極低的防潮性[2]。因此，紙基包裝材料通常涂有其他材料進行復合，如石蠟、聚乙烯(polyethylene，PE)、聚乳酸和各種生物聚合物，用作與食品直接接觸的包裝材料[3-4]。其中PE等材料仍然會帶來污染問題，且部分材料的安全性問題還有待研究，生物聚合物因可持續(xù)性、可降解性和安全性等優(yōu)勢而具有巨大潛力。蛋白質是具有潛力的生物可降解聚合物，在食品包裝開發(fā)中發(fā)現(xiàn)，蛋白質有較高的阻隔性能，能夠阻隔氧氣和水分來防止食品氧化及腐敗變質[5]。多糖在自然界中廣泛分布，多糖基包裝材料同樣可以控制水分遷移和氧氣滲透，從而延長食品貨架期。

乳清分離蛋白(whey protein isolate，WPI)[6-7]、酪蛋白酸鈉(sodium caseinate，NaCas)[8-10]和普魯蘭多糖(pullulan，PUL)[11-12]都是具有優(yōu)異成膜性能的生物可降解材料，其中WPI膜和NaCas膜具有良好的阻隔性能。高文婧等[13]研究發(fā)現(xiàn)由于蛋白與多糖分子間的交聯(lián)作用，WPI-NaCas-PUL復合薄膜能夠有效地增加氧氣阻隔性能，并且一定程度上可以降低親水性。

食品發(fā)生氧化反應是導致食品腐敗變質的原因之一，變質后的食品不僅營養(yǎng)價值下降，而且會危害人體健康[14]。WPI-NaCas-PUL復合薄膜，具有高阻氧性能，在食品包裝中有很大的應用前景，但是由于其機械性能的抗拉強度略低，在食品外包裝應用中易受機械損傷，很難滿足實際包裝應用需求。為解決生物可降解聚合物薄膜難以進行實際應用的問題，宋景新[15]將濃縮乳清蛋白/小麥交聯(lián)淀粉可食膜與牛皮紙進行復合，制得的復合材料具有較強的機械性能，可代替紙塑材料用于食品外包裝。HAN等[16]研制乳清蛋白涂布紙，使WPI涂層增加了涂布紙的耐油性的同時不顯著改變光學和機械性能，改善了牛皮紙的包裝材料性能。林寶鳳等[17]采用涂布法制備了殼聚糖涂布紙，制得的涂覆紙具有一定的抗菌性，其透氣性在果蔬的保鮮中有很好的應用。

本研究將WPI-NaCas-PUL成膜溶液與牛皮紙復合干燥，制得復合材料。根據復合材料涂層對氧氣高阻隔的優(yōu)勢，對復合材料進行工藝優(yōu)化。為此，本研究在前期的單因素試驗中選出3個影響最顯著的因素：WPI-NaCas與PUL的比例、甘油的質量分數(shù)和pH值，進行正交試驗設計，確定最優(yōu)阻隔性能的復合材料工藝，并對復合材料的性能進行分析。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

WPI(純度>98%)，美國ISOPURE公司；NaCas(純度>99.21%)，上海麥克林生化科技有限公司(中國)；PUL(純度>98%)，上海薩恩化學技術有限公司；牛皮紙(克重為80 g/m2)，蚌埠天成包裝科技股份有限公司；甘油，上海酷靈精細化工有限公司；鹽酸、氫氧化鈉，國藥集團上海化學試劑有限公司；去離子水，實驗室提供。

1.2 儀器與設備

DF-101S磁力攪拌器，河南省鞏義市科瑞儀器有限公司；DHG-9045A型恒溫鼓風干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司；SU5000熱場發(fā)射掃描電鏡，日本日立高新技術公司；W-D-31D水蒸氣透過率測試儀，廣州西唐機電科技有限公司；XLW(EC)型智能電子拉力試驗機、PERME G2/132氣體滲透儀，濟南藍光機電技術有限公司；JC2000接觸角測量儀，上海中晨數(shù)字技術設備有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 復合材料的制作方法

在郄梓含等[18]方法上進行改進，分別稱取24 g WPI、16 g NaCas和40 g PUL溶解于400 mL去離子水中，溫度控制在室溫于磁力攪拌器中充分攪拌2 h。然后將WPI和NaCas溶液置于85 ℃水浴中攪拌0.5 h 后以體積比1∶1混合，冷卻混合后的溶液再與PUL溶液一起混合并加入甘油，再一起置于磁力攪拌器中室溫條件下攪拌1 h以充分混勻。混合均勻后的溶液真空脫氣，倒置于平板上，再將牛皮紙放在成膜溶液上，使其貼合緊密，于恒溫鼓風干燥箱中干燥6～8 h，制得復合材料。

1.3.2 單因素試驗

1.3.2.1 WPI-NaCas與PUL體積比的選擇

將WPI-NaCas混合溶液與PUL溶液分別以體積比3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3混勻，分別加入占其溶液干物質質量分數(shù)80%的甘油，調節(jié)溶液pH值為8。之后步驟參照上述復合材料制作方法。

1.3.2.2 pH值的選擇

將WPI-NaCas混合溶液與PUL溶液以體積比1∶1混合，加入溶液干物質質量分數(shù)80%的甘油，分成5等份，分別調節(jié)溶液pH為6、7、8、9、10。之后的步驟參照上述復合材料制作方法。

1.3.2.3 甘油質量分數(shù)的選擇

將WPI-NaCas混合溶液與PUL溶液以體積比1∶1混合，分成5等份，分別加入溶液干物質質量分數(shù)40%、60%、80%、100%、120%的甘油，調節(jié)溶液pH為8。之后步驟參照上述復合材料制作方法。

1.3.3 氧氣透過率測定

氧氣透過率的測定采用壓差法，將復合材料裁成12 cm×12 cm的方形放置于氣體滲透儀的測試腔內，溫度設定為23 ℃，相對濕度65%。

1.3.4 水蒸氣透過系數(shù)測定

采用模具將復合材料裁成合適尺寸放入水蒸氣透過率測試儀的測試腔內，設置參數(shù)為相對濕度90%、實驗溫度為38 ℃，采用減重法測定水蒸氣透過系數(shù)[19]。

1.3.5 機械性能

將復合材料裁成120 mm×15 mm的長條，電子拉力試驗機的夾具初始距離設置50 mm，速度為50 mm/min，測量其抗拉強度和斷裂伸長率。

1.3.6 接觸角

復合材料的水接觸角和油接觸角均在接觸角測量儀上使用液滴法進行，該設備配有圖像分析軟件。

1.3.7 復合材料微觀結構

使用掃描電子顯微鏡觀察復合材料橫截面形態(tài)。在成像之前，樣品通過浸入液氮中進行低溫斷裂，噴金后在6 kV的加速電壓下觀察。

1.4 統(tǒng)計分析

采用SPSS 22.0軟件和Origin 2019b進行數(shù)據統(tǒng)計處理以及作圖分析。數(shù)據表示為平均值±標準差，并且概率值P<0.05被認為是顯著的。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果與分析

2.1.1 WPI-NaCas與PUL體積比對復合材料氧氣透過率的影響

如圖1所示，隨著WPI-NaCas與PUL體積比的降低，復合材料的氧氣透過率呈下降趨勢。這與高文婧等[13]的研究相同，WPI-NaCas與PUL之間可以產生很好的交聯(lián)作用。PUL的添加可作為交聯(lián)劑與增塑劑，有助于與WPI-NaCas的協(xié)同作用。WPI-NaCas可通過分子間和分子內折疊產生非常緊密的結構，PUL可賦予結構內聚力并作為結構基質，這使得復合材料具有很好的阻氧性能[20]。PUL也具有一定的黏性，在與WPI-NaCas交聯(lián)的同時也可以使WPI-NaCas-PUL復合涂層很好地與牛皮紙結合在一起。PUL含量越多，復合涂層與牛皮紙之間的結合力越大。當WPI-NaCas與PUL體積比為1∶3時，過多的PUL使氧氣透過率略微增大，并且PUL過多，制得的復合材料表面復合涂層黏度較大，很難進行實際應用。

圖1 WPI-NaCas與PUL體積比對復合材料氧氣透過率的影響Fig.1 The effect of the volume ratio of WPI-NaCas to PUL on the oxygen transmission rate of composite materials注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)(下同)

2.1.2 成膜溶液的pH值對復合材料氧氣透過率的影響

如圖2所示，隨著成膜溶液pH值的提高，復合材料的氧氣透過率逐步下降，這與BAE等[21]和尹興等[22]的研究相同，說明堿性條件可以降低蛋白膜的氧氣透過率，提高復合材料的阻氣性。pH為6時，復合材料的氧氣透過率最大，這可能是在酸性條件下，蛋白質發(fā)生了輕微的變性，使得蛋白質的二級結構發(fā)生改變或遭到破壞，從而影響了其對氧氣的阻隔性。pH增大時，復合材料的氧氣透過率呈下降趨勢，但是pH 7～10的下降幅度不大。雖然在pH為10時復合材料的氧氣透過率最小，但是強堿性的環(huán)境會造成蛋白肽鍵離解，進而使得復合材料的水蒸氣透過率增大。不同的酸堿環(huán)境也可能會轉變復合涂層與牛皮紙纖維表面的正負性，在堿性條件下，通過靜電排斥力作用使得復合涂層與牛皮紙纖維間的結合力降低。

圖2 pH值對復合材料氧氣透過率的影響Fig.2 The effect of pH on the oxygen transmission rate of composite materials

2.1.3 甘油對復合材料氧氣透過率的影響

如圖3所示，隨著甘油質量分數(shù)的增加，復合材料的氧氣透過率增大。甘油作為增塑劑，并且作為小分子物質可以滲透到WPI-NaCas-PUL聚合物中，通過與酰胺基團形成氫鍵來降低分子內部的氫鍵作用，同時蛋白質間的范德華力也會遭到削弱，降低了聚合鏈間的分子相互作用，增加了分子鏈之間的空隙[23]。甘油作為小分子物質，也可進入牛皮紙纖維結構內，可以增大復合涂層與牛皮紙纖維間的結合力。當甘油質量分數(shù)為40%時，分子鏈之間的空隙最小，氧氣透過率最小，但是相應的WPI-NaCas-PUL復合涂層的剛性較大。如圖4所示，復合層與牛皮紙復合后易產生裂紋，很難進行實際應用。隨著甘油質量分數(shù)增大，復合涂層內的羥基鍵結合的水分子量增加，從而導致其內部結構松散，在增加流動性和柔韌性的同時，其氧氣透過率也隨之增大。

圖3 甘油質量分數(shù)對復合材料氧氣透過率的影響Fig.3 The effect of glycerin content on the oxygen transmission rate of composite materials

圖4 甘油質量分數(shù)40%時復合材料表面形態(tài)Fig.4 Surface morphology of composite material at 40% glycerin content

2.2 正交試驗

2.2.1 正交試驗設計

在單因素試驗的基礎上，復合材料的制備工藝采用3因素3水平正交設計，以WPI-NaCas與PUL體積比(A)、成膜溶液的pH值(B)、添加甘油的質量分數(shù)(C)作為參考因素，正交表如表1所示。

表1 正交設計表Table 1 Orthogonal design table

2.2.2 正交試驗結果分析

如表2所示，通過正交試驗分析，從正交試驗結果中R值可知影響復合材料氧氣透過率的主次因素依次是A>C>B，即WPI-NaCas與PUL體積比對復合材料的氧氣透過率的影響最大，而pH對復合材料的氧氣透過率影響相對較小。方差分析結果顯示，WPI-NaCas與PUL體積比、pH以及甘油的質量分數(shù)都對實驗結果有顯著影響(P<0.05)(表3)。K值大小得到復合材料氧氣透過率最低的組為A2B3C1，即WPI-NaCas與PUL體積比為1∶2、pH值為9、甘油質量分數(shù)為60%。

表2 復合材料氧氣透過率正交試驗結果Table 2 Orthogonal test results of oxygen transmission rate of composite materials

表3 方差分析Table 3 Analysis of variance

2.3 復合材料與PE涂布牛皮紙性能比較

根據正交試驗結果得到阻氧性能最優(yōu)組(WPI-NaCas與PUL體積比為1∶2、pH值為9、甘油質量分數(shù)為60%)，利用最優(yōu)組配方制得復合材料。將其與PE涂布牛皮紙(PE-牛皮紙)的性能進行比較，結果如表4所示。

表4 復合材料與PE-牛皮紙氧氣透過率、水蒸氣透過率、接觸角、機械性能比較Table 4 Comparison of oxygen transmission rate,water vapor transmission rate,contact angle and mechanical properties of composite materials and PE-kraft paper

性能結果比較顯示,復合材料具有極優(yōu)的阻氧性能，其氧氣透過率3.824 cm3/(m2·24h·0.1MPa)僅為PE-牛皮紙氧氣透過率的0.2%。復合材料的水蒸氣透過系數(shù)為9.241×10-12g·cm/(cm2·s·Pa)，大于PE-牛皮紙的水蒸氣透過系數(shù)。雖然WPI、NaCas、PUL這3種材料都有一定程度的親水性，但3種材料經過復合后的WPI-NaCas-PUL可通過分子間和分子內折疊產生極為緊密的結構，能夠阻隔部分水蒸氣透過。同時，WPI-NaCas-PUL復合層與牛皮紙結合后，牛皮紙纖維也填補了部分分子鏈間的空隙，進而達到了阻隔水蒸氣透過的效果。但是在堿性環(huán)境下，蛋白肽鍵離解，會使得水蒸氣透過率增大。同時，增塑性甘油的添加使得WPI-NaCas-PUL復合結構的分子鏈產生空隙，也導致了復合材料水蒸氣透過率的增大。

接觸角可以衡量材料的表面性能[24]，薄膜對水接觸角或油接觸角越大，表明該材料的親水性或親油性越強。結果顯示，復合材料的水接觸角為69.9°,為PE-牛皮紙水接觸角的75.1%，PE-牛皮紙具有很強的疏水性，復合材料的水接觸角略低于PE-牛皮紙,也表現(xiàn)出一定的疏水性能。復合材料和PE-牛皮紙的油接觸角都比較小，都具有一定的親油性。復合材料的油接觸角略大于PE-牛皮紙的油接觸角，其疏油性略高于PE-牛皮紙。

機械性能的比較結果表明，復合材料和PE-牛皮紙的縱向抗拉強度都要大于橫向抗拉強度，這是因為2種材料在與牛皮紙復合后，其抗拉強度受到牛皮紙纖維的影響，縱向需拉斷牛皮紙的纖維，而橫向則只需要破壞牛皮紙纖維間的聯(lián)結力。復合材料與PE-牛皮紙的抗拉強度比較表明，復合材料的抗拉強度相對較低。這是因為PE本身的抗拉強度較大，其與牛皮紙的結合沒有復合材料緊密，拉斷時需同時拉斷PE與牛皮紙，所以其抗拉強度較大。復合材料與牛皮紙結合后，由于牛皮紙的存在，其抗拉強度也可在實際應用中使用。復合材料與PE-牛皮紙的橫向的斷裂伸長率略大于縱向，PE-牛皮紙的斷裂伸長率大于復合材料的斷裂伸長率。這同樣是因為PE與牛皮紙之間結合不夠緊密，同時PE材料具有很好的延展性，當牛皮紙纖維拉斷時，PE仍然保持著延展性，所以PE-牛皮紙的斷裂伸長率較大。而WPI-NaCas-PUL與牛皮紙復合后結合緊密，其斷裂伸長率基本接近單一牛皮紙。

2.4 掃描電鏡分析

圖5-a和圖5-b分別為復合材料橫截面放大450倍和5 000倍的微觀結構圖，圖5-c和圖5-d分別為PE-牛皮紙橫截面放大450倍和5 000倍的微觀結構圖。圖5-a清楚地展現(xiàn)了WPI-NaCas-PUL復合層與牛皮紙結合后的微觀形態(tài)，經液氮脆斷后WPI-NaCas-PUL復合層仍然與牛皮紙結合在一起。圖5-b更清楚地展示了WPI-NaCas-PUL復合層與牛皮紙的結合情況，其左邊部分為WPI-NaCas-PUL復合層，中間部分為WPI-NaCas-PUL復合層與牛皮紙的結合處，右邊部分為牛皮紙纖維。圖5-b顯示WPI-NaCas-PUL復合成膜溶液滲入牛皮紙的纖維結構中，WPI-NaCas-PUL復合層與牛皮紙緊密地結合在一起，這證明了生物可降解聚合物與牛皮紙復合的可行性[25]，WPI-NaCas-PUL復合層與牛皮紙的緊密結合也表明復合材料的抗拉強度與斷裂伸長率受到牛皮紙的影響。WPI-NaCas-PUL復合層的橫截面光滑致密、表面有少許孔洞，這證明了復合材料的致密性，因而復合材料具有優(yōu)良的阻氧性能。由圖5-c可以清楚地發(fā)現(xiàn)PE-牛皮紙經液氮脆斷后有了明顯的斷層，PE與牛皮紙沒有緊密地結合在一起。圖5-d在放大5 000倍后更加清晰地發(fā)現(xiàn)PE與牛皮紙之間的結合不夠緊密，這也解釋了PE-牛皮紙的抗拉強度和斷裂伸長率會受到PE膜的影響。通過對比，WPI-NaCas-PUL復合層與牛皮紙的結合要比PE與牛皮紙的結合更加緊密。

a-復合材料450倍微觀結構圖；b-復合材料5 000倍微觀結構圖；c-PE-牛皮紙450倍微觀結構圖；d-PE-牛皮紙5 000倍微觀結構圖圖5 復合材料和PE牛皮紙橫截面微觀形態(tài)Fig.5 Composite material and PE-kraft paper cross-section microscopic morphology

3 結論

WPI-NaCas與PUL的體積比、pH和甘油質量分數(shù)均對復合材料的阻氧性能有著顯著的影響。在單因素試驗的基礎上，再通過3因素3水平正交試驗得到最優(yōu)阻氧性能的WPI-NaCas-PUL與牛皮紙復合的復合材料，其制備條件為：WPI-NaCas與PUL的體積比1∶2，pH值為9，甘油質量分數(shù)為60%。最優(yōu)條件下制備的WPI-NaCas-PUL復合材料的氧氣透過率為3.824 cm3/(m2·24h·0.1MPa)，遠低于PE-牛皮紙的氧氣透過率，具有良好的氧氣阻隔性能。與PE-牛皮紙的性能相比，復合材料的疏水性略低于PE-牛皮紙，但疏油性比PE-牛皮紙略強。復合材料的機械強度相比PE-牛皮紙較低，但與牛皮紙復合后，其機械強度可滿足實際包裝應用需求。

綜上，WPI-NaCas-PUL與牛皮紙復合的復合材料具有優(yōu)良的氧氣阻隔性能，其機械強度可滿足實際應用需求，可應用于食品外包裝。接下來的研究可以進一步提升復合材料的疏水性，使其應用范圍更加廣闊。高阻氧性蛋白-多糖-牛皮紙紙基-可食性薄膜復合材料的開發(fā)為綠色健康食品包裝提供了指導意義。